天目山地區大氣酸沉降的動態特徵論文
天目山地區大氣酸沉降的動態特徵論文
大氣的酸沉降是指大氣中不同來源的酸性物質沉降到森林、湖泊、地表等作用而的過程。根據沉降物的物理性質可分為幹沉降(如氣溶膠等)和溼沉降(如降水等過程)。大氣酸沉降對森林生態系統、城市生態系統、水生生態系統等各類生態系統都能產生不同程度的危害，而且，這種危害可以隨著大氣環流作用可以擴散到其他國家和區域。因此，它不僅是大氣的環境問題，同時也包括了全部的水域、土壤，甚至整個生物圈。關於大氣酸沉降的研究最早起始於19世紀40年代英國化學家Robert-Smith對英格蘭地區酸沉降現象的科學調查。但直到20世紀中葉，斯堪的納維亞半島酸化問題給湖泊魚類帶來毀滅J哇的災害，酸沉降現象才引起各國學者的普遍關注。此後的研究發現:北美西北部、中國、俄羅斯和南美等均出現了嚴重的酸雨。20世紀二三十年代，中國才開始對大氣酸沉降開展相關的研究。為進一步掌握酸雨的地區分佈，國家環保部門於1982年在全國範圍內建立了189個觀測站、523個降水取樣點的酸雨監測網。研究監測發現，20世紀末期酸雨已覆蓋了中國大部分經濟較發達地區，酸沉降地區的總而積已超過270萬km，佔國土陸域而積的30%以上。全國酸雨監測網2005-2011年的監測資料顯示，中國的酸雨發生頻率及酸雨覆蓋而積總體均呈降低趨勢，但形勢依然嚴峻，酸雨型別仍以硫酸型為主，硝酸鹽對降水酸度的貢獻逐年增加。中國現已是繼西歐和北美之後的世界第三大酸沉降區，並且隨著工業的發展，環境惡化仍有加劇的趨勢，因此尋求科學有效的汙染控制對策和治理措施是當前經濟可持續發展的迫切要求。位於長江三角洲的天目山地區，是中國酸雨多發區和水體嚴重汙染區域之一，因此積極在該地區開展大氣酸沉降的研究具有十分重要的實踐意義和理論價值。
1實驗設計與方法
1.1研究區概況
天目山地處浙江省西北部臨安市境內。天目山由東西2座峰組成，東峰的大仙頂海拔為1 480 m ,西峰的仙人頂海拔1 506 m。天目山於1956年被國家林業部劃為森林禁伐區，作為自然保護區加以保護。天目山國家級自然保護區位於西天目山，所轄地域總而積為4 284 hmZ，地理位置為30°18'30"~30°24'55" N, 119°23'47"119°28'27" E，距離杭州94 km。本試驗研究區即在保護區內。
天目山地處亞熱帶地區，因受海洋暖溼氣流的影響，屬於亞熱帶季風性氣候，四季分明，春秋季較短，冬夏季偏長。年平均氣溫為14.88.8 ℃，最冷月平均氣溫為3.42.6 0C，最熱月平均氣溫為28.119.9 0C。雨水充沛，年雨日為159.2183.1 d，年降水量為1 390~1 870 mm，積雪期較長，比區外多10~30 d，形成浙江西北部的多雨中心。土壤型別主要為紅壤、黃壤和黃紅壤。植被型別主要有針葉林、毛竹Phyllostuchys edulas林、常綠闊葉林、常綠落葉闊葉林和落葉闊葉林，且目前正處於向針闊混交林演替的階段。
1.2研究方法
1.2.1大氣降水樣品的採集在研究區的一開闊處(無建築物、林冠等遮擋)，安裝了1臺ZJG系列智慧降水取樣器(工型)，自動收集降水並記錄。收集到的降水樣品先測定其體積，然後儲存350 mL的樣品以作分析。取樣頻率為1次/周。此外，在研究區域設有1個小型氣象自動監測站，主要測量並記錄該地區的溼度、溫度、風速、風向和降水量等氣象因子。
1.2.2降水樣品測定降水樣品的pH值和電導率CE用MP522型精密pH/電導率儀測定。每次測定前都需要用標準溶液校正，pH值採用“三點法”，電導率CE採用“單點法”。降水樣品的按態氮質量濃度使用美國戴安DX-1000離子色譜儀分析測定，硝態氮和硫酸根的質量濃度使用美國戴安DX-80離子色譜儀分析測定。水樣分析方法是將1個月內的水樣按照體積數加權平均混合後進行測定。
1.2.3資料來源與分析一部分資料來自實驗室對水樣的分析測定，另一部分資料是基於臭氧監測儀器( OMI , ozone monitoring instrument)遙感技術獲得的天目山地區2012年8月一2013年8月期間天目山地區二氧化氮(NOZ)對流層柱濃度。資料的分析和處理主要利用Excel 2007來完成。
2結果與分析
天目山地區屬於亞熱帶季風性氣候，受海洋暖氣流的影響，因此降水較為充沛，並且季節變化明顯，具體表現為夏季潮溼多雨，而冬季相對乾燥少雨。大氣中的氮、硫等元素多以溼沉降的形式進入到生態系統。
2.1天目山地區降水樣品的部分特徵
2012年8月至2013年9月，每週收集溼沉降樣品，統計記錄收集到的降水總體積數，並定期分析測定樣品的電導率CE和pH值等指標，然後得出降水樣品的月平均變化情況。其中，樣品的pH值變化範圍較小，一直處於酸性降水水平;電導率CE的值與取樣器收集到樣品的體積數具有一定的負相關關係，而且季節性顯著，如春夏季，兩者的相關係數為0.958 8。這說明，降水的體積數對樣品的離子濃度具有一定的稀釋作用圈，故電導率隨季節性降水呈現出相應的季節性變化規律。
2.2天目山地區降水樣品的無機氮沉降特徵
關於活性氮對大氣環境、全球生態系統等造成危害的報道已不勝列舉，因此開展對活性氮的重要組成成分—無機氮的動態研究，是十分必要的。本實驗主要對降水樣品的按態氮(NHQ'-N)和硝態氮(N03--N)的質量濃度進行的分析測定。可以看到，NHQ'-N和N03--N質量濃度的變化規律基本一致，均表現為10月達到最高，7月最低。這主要和降水量的大小對離子的濃度具有一定的稀釋效應有關。此項結果與向仁軍等研究蔡家塘森林小流域時的大氣氮溼沉降得出的結果具有一定的一致性，可見無機氮質量濃度的變化確實存在季節性的特徵差異。
2.3天目山地區降水樣品的硫酸根沉降特徵
亞硫酸根是大氣中重要的致酸陰離子，結合該地區的降水量資料。可以看出:亞硫酸根質量濃度變化與降水量呈一定的的負相關關係，並且春夏季動態變化中表現顯著，相關係數為0.977;在秋冬季的動態變化中不是很明顯，這可能是因為其他因素影響的結果，如秋季焚燒作物秸稈、冬季取暖時煤炭的燃燒等排放的二氧化硫能直接影響大氣中亞硫酸根的質量濃度。這些將在下而再作進一步的探討。
3討論與結論
3.1討論
大氣降水樣品的pH值和電導率CE的變化規律主要與季節性降水有關，可能是因為降水量的大小
對離子的質量濃度具有一定的稀釋效應
降水樣品的無機氮質量濃度具體表現為秋季最高，春季次之，夏季最低，與青島地區大氣溼沉降的研究結果基本一致。並且，降水的無機氮質量濃度隨降水強度的增大呈降低趨勢，旱季質量濃度明顯大於雨季，降水對大氣具有一定的清洗作用。出現上述結果的原因，一方而與季節性降水有關，一方而與煤炭燃燒、化肥揮發、微生物的分解作用等有關。大氣降水樣品中51142一質量濃度主要來源於大氣二氧化硫遇水和空氣後發生的氧化反應，因此其質量濃度變化與降水量的大小呈較高的負相關關係。
透過對天目山地區的2012年8月至2013年9月的降水樣品N03一和51142一質量濃度的測定，發現兩者具有比較高的相關性，這主要與降水樣品N03一和SOQZ一的來源密切相關。二氧化硫和氮氧化物大多來自化石燃料等的燃燒，而閃電作用可以直接把大氣的氮氣也轉化為氮氧化物。二氧化硫在臭氧等條件下可氧化成三氧化硫.遇水即變成SOaZ-:在大氣水分充足的條件下.二氧化硫可以直接變成亞硫酸.然後經某些物質的催化作用也可變為SOQZ-。而二氧化氮可以直接與大氣中的水分反應生成N03-，同時二氧化氮的存在也促進了二氧化硫向SOQZ一的轉化〔m。故而兩者具有很高的相關性。另外，研究發現該地區SOQZ-/ N03一的比值範圍為4.138.89，說明天目山地區的酸沉降過程中，SOQZ一對酸雨的酸度貢獻較大。張新民等[mo的研究表明:中國酸雨目前還是以硫酸型為主，並且隨著氮氧化物排放量的增加，正在向硫酸一硝酸混合型轉變。本研究結果與其結論是完全一致的。
透過對天目山降水樣品的N03一質量濃度的測定和OMI衛星對流層二氧化氮的垂直柱質量濃度資料的分析發現，兩者質量濃度在秋冬季呈現為相關係數值較高的正相關，而在春夏季為相關係數值較低的負相關關係。這可能是因為夏季降水較多，對大氣的溼清除作用較為明顯，而且夏季溫度較高，減少了二氧化氮在大氣的存在時間[l5]，同時也增加了二氧化氮在水裡的.溶解度，故而在夏季兩者的變化呈現負相關性。冬季的氣溫較低而且降水稀少，二氧化氮垂直柱質量濃度較高，而冬季採暖使用煤炭燃燒排放出的二氧化氮等廢棄物增多，導致降水樣品的N03一質量濃度迅速升高。因此，兩者在冬季的變化呈現出較高的一致性。而在秋季也出現了一致性的變化，主要是因為夏季的降水較多，透過溼清除作用把大氣中的大部分雜質包括含氮化合物都沉降下來，故降水樣品的N03一質量濃度較低，同時由於秋季的溫度也較高，二氧化氮垂直柱質量濃度較低，故兩者也表現為正相關關係。
透過對2012年8月至2013年9月間天目山地區降雨水樣無機氮質量濃度的測定和分析，得出無機氮月平均質量濃度為1.109 mL。，結合智慧降水採集器收集到的降水總體積數和取樣桶的口徑大小，可以估算出該地區大氣溼沉降的無機氮年沉降總量約為5.25 kg/ hm 。而據報道在未受到人類活動影響，該地區的較高氮沉降量也不可忽視。
3.2結論
2012年8月至2013年9月期間透過對天目山地區溼沉降水樣的採集和對樣品的無機氮組分(硝態氮、按態氮)、硫酸根、電導率CE值、pH值等引數進行了測定及相關性分析，結論如下:
①天目山地區的降水屬於典型的酸性降水，pH值年平均值為pH 4.81; pH值的變化具有明顯的季節性特徵，夏秋季節較高，春冬季節較低;降水中的SOQZ-/N03一離子的比值範圍為4.138.89，說明該地區的酸沉降中，SOQZ一對酸水的酸度貢獻較大。
②天目山大氣溼沉降的電導率CE值以及NHQ -N , N03 -N和SOQZ一質量濃度隨時間而呈規律性變化，大體表現為:秋季或冬季最高，而夏季最低，主要與降水量的稀釋效應有關。
③研究期間，大氣溼沉降的無機氮年沉降總量約為5.25 kG/hm Z，降水的無機氮月平均質量濃度為1.109m. L。因此，雖然該地區的酸沉降中SOQZ一的貢獻較大，但是該地區的較高氮沉降量也不可忽視。
④降水樣品的N03--N和NHQ--N質量濃度，N03--N和SOQZ一質量濃度變化均呈線性相關關係，分別是)=1.392 Ox-0.315 5 , RZ = 0.768 0和)=0.1803x+0.0138, Rz=0.8866
⑤地而蒐集降水樣品的N03一質量濃度和OMI衛星對流層二氧化氮的垂直柱質量濃度也存在密切的相關關係，並且這種相關性有季節J哇變化，表現為秋冬季正相關性，而在春夏季則為負相關性。
4參考文獻
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